選煤生產過程標準數據平臺建設及其關鍵技術

孫小路，周春俠，張永志，匡亞莉

(1.內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學 科學技術處，內蒙古 呼和浩特 010051；3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 寺河礦選煤廠，山西 晉城 048000；4.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

選煤作為煤炭潔凈利用的源頭和基礎，是加快調整能源結構、增加清潔能源供應的重要手段。隨著大數據、人工智能在各行業的強勢崛起，選煤行業的智能化建設也開始逐步推進，主要體現在三個方面[1-5]：①網絡環境完善，裝車等偏遠系統的網絡接入，生產車間的Wi-Fi網絡建設，選煤廠4G網絡的全覆蓋；②集控系統升級，原獨立的控制系統信號納入集控系統，如泵房，增加計量計質相關檢測儀表，原手動控制環節的升級替換；③信息化系統建設，先后建立了眾多管理信息系統，如人力資源管理系統、生產成本控制系統、設備管理信息系統等。

隨著選煤行業智能化的發展，以下問題日益突出[6-10]：①生產集控系統建設之初，只實現了數據的顯示功能，過程數據未得到有效保存；②生產系統的升級過程中，采購了不同廠家的設備與檢測儀表，這些廠家的系統相對獨立，形成了一座座數據孤島；③已有信息系統的數據，未設置通用的數據開放接口，這大大增加了后續選煤信息化建設的工作量。

基于選煤生產智能化的發展需求及目前存在的問題，本文針對選煤生產過程標準數據倉庫建立過程中的技術難點，開發了選煤信息交換平臺，采用通用的標準為不同需求方提供服務，為后續選煤生產和管理提供基礎。

1 平臺簡介

選煤生產過程標準數據平臺研究的內容主要包括以下三部分：①采集不同設備廠家的生產過程數據與計量計質儀表檢測數據；②建立選煤基礎信息分類標準，定義統一的編碼規則，建立數據倉庫；③為不同的基礎信息需求者建立統一的數據訪問接口。各部分之間的關系如圖1所示。CPSDP平臺的開發基于.NET框架，C#編程語言，SQL Server數據庫。

圖1 技術路線示意

2 關鍵技術

為保證生產網絡的安全，選煤廠的集控網絡相對獨立，數據的共享一般通過設置網閘解決。集控系統的數據主要包括各設備的開關量、原煤量、產品量、在線灰分、旋流器壓力、循環介質密度等，這些數據大部分匯總于PLC(可編程邏輯控制器)中。其他技檢化驗數據、生產信息系統數據多存儲于關系數據庫(SQL Server、Access等)或平面文件(Excel、TXT等)中。這些生產相關數據的采集過程的網絡架構如圖2所示。

圖2 選煤生產信息采集網絡架構示意

2.1 信息分類

在進行數據采集存儲利用之前，信息的合理分類更有利于標準化的實現。選煤生產過程標準數據平臺建設的目的是為選煤生產過程的模擬與優化控制提供服務，故以選煤生產過程中涉及的設備及檢測儀表進行分類，從選煤工藝要求的角度出發，根據不同設備在選煤生產中的使用用途將選煤設備分為八個類別，篩分、破碎、分選、脫水、運輸、給料和準備、泵和其他設備[4，11]。CPSDP平臺的信息主要分類、二級子類，及相關編碼規則如圖3所示。選煤生產過程基元數據的表結構見表1，其中C_TagID字段為后續數據采集時配置表的對應ID信息。

圖3 CPSDP信息分類表(部分)

表1 CPSDP基礎信息字典表

2.2 數據采集

2.2.1 PLC數據的采集與存儲

隨著萬物互聯、無人工廠等智能制造模式的興起，選煤廠已有的傳統工業形式的集控生產系統已不能滿足信息化發展的需求，面對不同廠商不同硬件的差異，CPSDP選擇通過OPC(OLE for Process Control)技術來實現底層信息的通信與集成[12，13]，進而實現對產生于控制系統PLC中的生產過程數據進行采集。針對管理層、領導層需在辦公室、移動端掌握生產實時情況的需求，以及企業后續精細化管理、生產成本控制需海量在線生產數據做支撐的需求，PLC數據采集后分別存儲到了實時數據庫和歷史數據庫中。其中，實時數據庫只存儲最新的生產數據，采集的數據頻率較高，以保證數據的時效性。歷史數據庫為減少數據冗余，可以選擇差異存儲，并降低采集頻率到分鐘級。具體的采集流程如圖4所示，為保證PLC數據采集端的復用性，在數據采集初始，同時配置存儲選煤廠實際設備信息標簽。

圖4 PLC數據的采集存儲流程

2.2.2 關系數據庫、平面文件數據的采集存儲

對于選煤廠的生產控制系統，由于信息化的建設階段實施，形成了眾多獨立的子系統，這些系統一般各自獨立，有的使用了關系數據庫存儲，如微軟的SQL Server、Access等，還有部分按一定規則存儲于平面文件中，大部分選煤廠的計檢化驗數據被化驗人員記錄于Excel文檔中形成了質量報表。上述類型數據的采集，可以通過.NET提供的訪問不同數據庫接口進行通信。關系數據庫在配置表中記錄鏈接地址及用戶密碼，平面文件的采集采用客戶端上傳的形式，文件目錄固定，格式須統一，文件命名包含時間信息。具體的數據采集存儲流程如圖5所示。與PLC數據的采集存儲不同，這里面臨著數據的批量插入問題，尤其是多個數據源同時訪問歷史數據庫進行數據更新時，數據更新的效率顯得尤其重要，此處，CPSDP平臺采用了SqlBulkCopy方法替換常規Insert方法，數據執行效率可達到10000條/s。

圖5 關系數據庫、平面文件數據的采集存儲流程

CPSDP平臺的歷史數據庫采用了類似KEY-VALUE形式的存儲模式，這保證了程序后續的擴展性。根據部分目標數據調用的頻繁性以及量級的大小輕松擴展成基于內存的NOSQL非關系數據庫，便于大數據的處理。

2.3 數據交換平臺接口

建立了數據倉庫后，數據共享過程需解決不同平臺(Android、IOS等)、不同編程語言架構(Java、Python、PHP等)間的數據通訊問題。CPSDP平臺采取的統一接口使用Web Service技術返回JSON格式數據。Web Service是一種通用的跨編程語言、跨操作系統、無須借助第三方軟件或硬件的遠程調用技術[14，15]。JSON是一種輕量級的數據交換格式，易于機器解析與生成。數據接口的訪問需驗證訪問用戶的秘鑰，以保證數據的安全性，具體需求參數及過程如圖6所示。為了便于信息的查詢、展示及技術開發人員調用數據接口，CPSDP建立了基于B/S架構的WEB平臺，WEB界面包括數據分類導航樹、數據圖表展示區和數據獲取方法說明區。

圖6 CPSDP數據接口調用示意

3 應 用

選煤生產過程標準數據平臺于2013年開始在淮北礦業集團渦北選煤廠進行了試運行，基于該平臺的二次開發應用也陸續得到了現場使用。具體包括選煤廠生產統計報表的無紙化，計量計質儀表(如皮帶秤、灰分儀、料位計等)數據的WEB端實時展示，關鍵質量信息復用于生產作業平臺的LED查詢，以及生產過程數據的移動終端的顯示探索(如圖7所示)。通過以上實踐表明，選煤生產過程標準數據平臺可以有效支撐整個選煤廠的信息化建設。

圖7 CPSDP二次應用實例—移動終端顯示示例

4 結 論

1)CPSDP建立了以選煤設備和檢測儀表為基礎的選煤生產過程數據分類標準，以此來劃分不同來源、不同類型的海量數據。但數據的分類在使用過程中依然存在一定的局限性，煤炭行業應盡快出臺選煤廠信息化相關的行業標準。

2)CPSDP通過實時數據庫和歷史數據庫建立，來保證數據獲取的高效性同時減少數據冗余。通過類KEY-VALUE形式的存儲模式，以保證平臺的擴展性與數據獲取的高并發問題。

3)選煤生產過程標準數據平臺通過Web Service技術提供了JSON數據接口，為不同的應用開發者建立了統一的訪問接口，為選煤廠的管理人員提供了基礎數據獲取的統一平臺。